Controle de um sistema de ventilação em um quadro de comando e controle

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA ENGENHARIA ELÉTRICA INSTRUMENTAÇÂO ELETRÔNICA Controle de um sistema de ventilação em um quadro de comando e controle ALUNOS: Thiago Oliveira Alves Rocha Franklin Hebert Silva do Nascimento PROFESSOR: Luciano Fontes Cavalcanti Natal RN 29 de dezembro 2010

2 Sumário INTRODUÇÃO:... 2 DESENVOLVIMENTO... 3 PROJETO... 4 Sistema industrial... 5 Sensor de temperatura... 6 Amplificador do sinal... 7 Comparadores... 8 Comparador 1:... 8 Comparador Comparador 3:... 9 Simulação CONCLUSÂO BIBLIOGRAFIA:

3 INTRODUÇÃO: A grandeza física que o instrumento a ser elaborado se propõe a monitorar é a temperatura de um quadro de comando de uma indústria onde de acordo com a temperatura dentro do quadro, ventiladores (coolers) serão acionados para retirar o calor do sistema. Os coolers serão acionados a partir de uma logica utilizando comparadores. A temperatura em quadros de comando é uma questão a ser considerada, pois como estes quadros possuem equipamentos que dissipam muita potencia, como por exemplo, inversores de freqüência e soft-staters, um superaquecimento poderia vir a prejudicar tais equipamentos que geralmente são caros. Por este motivo esse circuito tem o objetivo de, uma forma simples, contornar este possível problema. 2

4 DESENVOLVIMENTO Algumas características que esse projeto deve possuir são: - Componentes eletrônicos que possuam isolação adequada às faixas de temperatura que serão submetidos; - Uma razoável precisão, vendo que a temperatura afeta muito em um sistema. O trabalho foi desenvolvido em ambiente computacional, com componentes eletrônicos. O sinal elétrico deverá ser adaptado em alguns momentos, em função da grandeza que se está medindo, por isso como conformador para o sinal, será utilizado o osciloscópio eletrônico ou digital, conforme as disponibilidades. O sinal elétrico também deverá ser amplificado, pois após passar pelo sensor de temperatura, ou circuito transdutor de temperatura, ele é caracterizado por possuir baixa potência, por isso deverão ser utilizados circuitos amplificadores. A seguir serão mostradas as partes do projeto. 3

5 PROJETO O projeto será dividido em 4 partes, que são; a) Sistema industrial; b) Sensor de temperatura; c) Amplificador do sinal; d) Comparadores; Sistema industrial Sensor de Temperatura v1 - v2 Amplificador do sinal V1-V2 C O M P A R A D O R E S Motor 1 Motor 2 Desligamento do sistema Figura 1 - Representação do sistema Figura 2 - Circuito 4

6 Sistema industrial Hoje na indústria existem processos dos mais variáveis, tais como fornos, caldeiras entre outros. Muitos deles têm a temperatura como algo importantíssimo para saber se o sistema está ou não funcionando corretamente por uma questão econômica (altas temperaturas danificam os equipamentos) e por uma questão de segurança, tendo que a elevação muito acentuada de temperatura pode levar até inicio de explosões dependendo do processo. Como foi falado na introdução, este projeto será utilizado em um quadro de comando e controle a fim de proteger os equipamentos utilizados no quadro. Nestes quadros são encontrados inversores de freqüência, soft-starts entre inúmeros outros equipamentos que geralmente são muito caros e precisam ser ao máximo protegidos. Um exemplo de um quadro de comando pode ser visto na figura abaixo. 5

7 Figura 3 - Exemplo de quadro de comando Sensor de temperatura As aplicações de instrumentos eletrônicos que se destinam ao monitoramento de temperatura se utilizam de sensores que convertem o sinal de temperatura em um sinal elétrico. Os sensores encontrados no mercado hoje em dia, vão desde os NTC s, PTC s e diodos até os mais diversos tipos de termopares. Entretanto nenhum dos sensores mencionados é tão simples quanto o uso do LM35, pois o circuito que o implementa constituído apenas do sensor propriamente dito, um amplificador de sinal e uma interface que realize a leitura do sinal amplificado. O sensor tem uma saída de baixa impedância, tensão linear e calibração precisa. O LM35 apresenta uma característica importante, quando alimentado a uma faixa de tensão entre 4-20Vdc e GND: Ele representa uma tensão linear relativa à temperatura em que se encontra quando alimentado na faixa de tensão especificada 6

8 acima, isto é, ele apresenta em sua saída uma sinal de 10mV para cada grau CELSIUS variado. Esse sensor pode ser alimentado com alimentação simples ou simétrica a depender do que se deseja fazer com o sinal de saída, mas independente disso a saída sempre apresenta 10mV/ C. Ele drena apenas 60µA para essas alimentações, sendo assim seu auto aquecimento é de 0.1 C ao ar livre. Verifica-se, portanto, que o uso desse sensor na aplicação desse projeto torna-o mais confiável do ponto de vista da proteção do ambiente monitorado. Este sensor irá transformar um sinal térmico em um sinal elétrico. De acordo com a temperatura do ambiente este transdutor irá gerar um sinal de tensão proporcional ao sinal térmico. Para uma temperatura mínima T1 ele irá produzir o sinal v1 e para uma temperatura máxima T2, ele irá produzir o sinal v2. A máxima temperatura escolhida foi a de 50ºC e a mínima de 30 ºC. Como o sensor gera um sinal de 10 mv a partir de 2ºC o valor de v1 é 0.28 V e o de v2 é 0.48 V. Amplificador do sinal O sinal gerado pelo sensor é de baixa potência, e para estes valores serem usados para acionar os motores seria preciso comparadores com uma alta sensibilidade, ou seja, que sua resolução fosse mínima possível, onde a mínima variação do sinal fosse percebido pelo comparador. Para resolver este problema foi decidido usar um estágio de amplificação do sinal onde o sinal v1 será transformado em V1 e v2 em V2, seguindo uma mesma proporção. Essa proporção será definida pelo ganho do amplificador a ser utilizado. 10= = 1+ O Amp Op escolhido para este amplificador foi o 741 pela sua facilidade de se trabalhar. O ganho escolhido foi de 10, pois com ele se obtêm tensões fáceis de serem geradas. O amplificador é do tipo não inversor, pois com ele não há inversão de fase. Sendo assim V1 = 2.8V e V2 = 4.8V. 7

9 =9 ºhº =1 ºhº Comparadores Figura 4 - Amplificador de sinal O amplificador operacional sem duvida é um componente valioso na construção de diversos circuitos lineares, dentre os quais podem ser destacados os amplificadores somadores e os amplificadores de instrumentação. Sua versatilidade permite que seja utilizado para outras aplicações também importantes na engenharia elétrica, que são os circuitos de funcionamento não linear. O mais simples destes circuitos é o comparador, um dispositivo que chaveia sua saída para um entre dois níveis de tensão, baseado na comparação entre as tensões nos seus terminais de entrada. Os comparadores são bastante utilizados como conversores de sinais analógicos para sinais digitais, servindo de ponte entre os circuitos digitais e os analógicos. Como exemplo Conversores A/D com Comparadores em paralelo. Em nosso circuito os comparadores têm a função de comparar o valor da temperatura medida com o valor de temperatura definida. Serão usados três comparadores, sendo a seguir mostrado como cada um irá trabalhar. Comparador 1: Este comparador deverá acionar o motor 1 se o sinal amplificado for maior que 2.8V. Caso isto aconteça será habilitado um transistor que acionando o primeiro cooler. 8

10 Figura 5 - Comparador 1 Comparador 2 Este comparador deverá acionar o cooler 2 se o sinal amplificado for maior que 3.8V. Caso isto aconteça será habilitado um transistor que acionará o segundo cooler. Figura 6 - Comparador 2 Comparador 3: Este comparador deverá acionar um buzzer se o sinal amplificado for maior que 4.8V indicando superaquecimento. Figura 7 - Comparador 3 9

11 Simulação A simulação do referido projeto foi realizada no ambiente computacional MULTISIM. Para esta simulação foi utilizada uma fonte de tensão constante na qual variamos a tensão da mesma simulando uma variação na temperatura do LM35, ou seja, partimos da suposição que já tínhamos a conversão da grandeza física medida num sinal elétrico de tensão. Essa fonte foi conectada à entrada não inversora do AMPOP AD741, que atua como amplificador. Esse sinal amplificado será direcionado a um circuito comparador de três níveis de tensão diferentes. Cada tensão de referência é determinada pela associação em série de resistores percorridos por uma corrente elétrica. Os valores dos resistores foram determinados com base nos valores da tensão de referência na entrada de cada comparador, que são 2.8V, 3.8V e 4.8V, tensões de limiar para a atuação de cada cooler e do sinalizador. A tensão de 2.8V serve como referência para a atuação do primeiro cooler caso a temperatura do quadro de comando exceda os 30 C. A tensão de 3.8V serve como referência para a atuação do segundo cooler caso a temperatura do quadro de comando exceda os 40 C. A tensão de 4.8V serve como referência para a atuação do sinalizador caso a temperatura quadro de comando exceda os 50 C. Em cada caso a corrente da malha do circuito que gera as tensões de referencia é de 1mA. Para o circuito comparador foram utilizados os AMPOPs AD741 polarizados com tensões de 12V. Visto que esses AMPOPs têm uma corrente de saída muito baixa, não sendo suficiente para acionar os coolers, que aqui estão representados por LED s. Foram utilizados transistores de junção bipolar (TJBs) para dar um ganho nessa corrente de saída. Para a verificação do funcionamento do circuito simulado, foram feitas três simulações, nas quais os valores da fonte de tensão na entrada excediam os limiares 10

12 especificados para cada comparador, ou seja, foram impostos os valores de 0.29V, 0.39V e 0.49V para cada tensão de entrada respectivamente. Observa-se que para os dois primeiros valores que excedem o limite da tensão de referência os LEDs verde e laranja, respectivamente, são ligados indicando o acionamento dos motores e para o valor de 0.49V na tensão de entrada o LED vermelho é aceso indicando um sinalizador para desligamento do sistema ou monitoramento por parte de algum profissional especializado. Os resultados das simulações são verificados nas figuras abaixo: Para V(LM35) = 0,29V, ou seja 31ºC. Figura 8 - Acionamento do primeiro motor 11

13 Para V(LM35) = 0,39V, ou seja 41ºC. Figura 9 Acionamento do segundo motor Para V(LM35) = 0,49V, ou seja 51ºC. Figura 10 Acionamento do sinalizado 12

14 CONCLUSÂO Com o término deste trabalho vemos que se poder controlar a temperatura de um quadro de uma forma bem simples aumentando a segurança nos mesmos. Conhecimentos gerais foram utilizados neste projeto, como: conceitos de amplificadores, adquiridos nas disciplinas de eletrônica I e eletrônica II e de sensores, adquiridos na disciplina de instrumentação eletrônica. Outro fator importante é que o relatório sobre o projeto é muito mais interessante do que uma prova, pois com uma prova iríamos nos preocupar com mesma e deixaríamos o projeto para o final, como acontecia em semestres anteriores. 13

15 BIBLIOGRAFIA: Alguns livros que serão consultados para auxilio no desenvolvimento do projeto estão listados abaixo: Livro utilizado como roteiro TRANSDUTORES E INTERFACES Autor: Marcelo Martins Werneck. Editora: Livros Técnicos e Científicos Editora. Livro complementar SENSORES INDUSTRIAIS Fundamentos e Aplicações Autores: Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga de Albuquerque. Editora: Érica. SISTEMAS DIGITAIS Princípios e Aplicações Autores: Ronald J. Tocci; Neal S. Widmer e Gregory L. Moss. DIGITAL DESIGN Autor: Frank Vahid 14

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